ПРИМЕНЕНИЕ ЭФФЕКТА СТОХАСТИЧЕСКОГО РЕЗОНАНСА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕТИКИ РЕАКЦИИ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ ДНК
advertisement
ПРИМЕНЕНИЕ ЭФФЕКТА СТОХАСТИЧЕСКОГО РЕЗОНАНСА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕТИКИ РЕАКЦИИ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ ДНК М.А.Гуторов1, А.В.Григорьев2, А.О.Мантуров2 ООО "Гамма", г. Москва Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. E-mail: manturovao@gmail.com 1 2 Развитие и совершенствование методов молекулярно-генетических исследований породило необходимость создания новых высокочувствительных способов регистрации и изучения сложных молекулярных процессов и биохимических реакций, происходящих в процессе репликации или изменении информационной структуры молекул ДНК. Одним из наиболее распространенных лабораторных методов в данной области является применение "зондов" - молекулярных комплексов, имеющих какой-либо искусственно внесенный физически детектируемый отличительный признак - например, внесенный люминесцентный комплекс, атомы радиоактивного изотопа и т.п. Однако, в связи с развитием одномолекулярных методов (в т.ч., связанных с решением задачи секвенирования ДНК), значительный интерес вызывает создание так называемых "безметочных" (label-free) методов, основанных на регистрации косвенных признаков протекания соответствующих реакций. В частности, в работе [1] была показана возможность детекции протекания реакции каталитической полимеризации молекулы ДНК, за счет выделения свободного иона (протона H+) при присоединении комплиментарного нуклеотида к растущей однониточной цепи ДНК под действием катализирующей реакцию молекулы ДНК-полимеразы. Далее, было показано, что применение соответствующих сенсоров на основе КМОПтехнологии позволит уверенно детектировать образующийся в ходе реакции полимеризации свободный заряд nH+, и, в конечном итоге - определять нуклеотидную последовательность ДНК [2]. Указанные подходы были ориентированы на использование данных от ансамбля одновременно протекающих реакций (что соответствует свободному протонному заряду n~1011-1014), поскольку порог чувствительности детектирования тока современными электрометричесими усилителями не превышает 10-15 А. Но, в то же время, для детального изучения особенностей соответствующих реакций крайне желательно снижать число n. Таким образом, необходим эффективный метод экспериментальной регистрации малых токов и свободных зарядов, образующихся в ходе реакции. В ходе настоящей работы было выполнено моделирование и получены оценки предельной чувствительности альтернативного метода регистрации сверхмалого свободного заряда, основанного на применении эффекта стохастического резонанса. Как специальный прием обработки сигналов, стохастический резонанс позволяет обнаруживать слабые гармонические сигналы под уровнем шума. Возможность усиления необнаружимого ранее сигнала в настоящее время известна для многих физических, электронных и биологических систем [3]. Для того, чтобы стохастический резонанс был реализуем, система должна быть, как минимум, бистабильной, т.е. должна обладать, по крайней мере, двумя устойчивыми состояниями. Для реализации бистабильной характеристики была использована схема, аналогичная триггеру на двух транзисторах (рис.1), типичная вольт-амперная характеристика которой приведена на рис.2. Рис. 1. Схема, обладающая бистабильной вольт-амперной характеристикой (триггер на двух биполярных транзисторах) Рис. 2. Вольт амперная характеристика с областью бистабильности по току для схемы на рис.1. По вертикали отложен ток эмиттеров в мА, по горизонтали приложенное к схеме напряжение, В. В ходе численных экспериментов изучалась динамика схемы, содержащей последовательно соединенные источник сигнала (измерительная ячейка, в которой проводится реакция полимеризации ДНК), генератор шума и схему с бистабильной характеристикой. Моделирование было проведено с использованием симулятора LT Spice [4]. Результаты моделирования приведены на рис.3. Как можно видеть из рис.3, на верхнем графике приведена реализация разности потенциалов в измерительной ячейке (при моделировании предполагается, что процесс образования H+ происходит регулярно). На среднем графике показан суммарный сигнал, образованный сигналом разности потенциалов и шумовым сигналом с равномерным распределением (введение шумового сигнала является необходимым условием реализации стохастического резонанса). На нижнем графике приведена реализация тока через схему с бистабильной характеристикой. Хорошо видно, что, несмотря на наличие шума, обнаруживаются импульсы тока, совпадающие с сигналом разности потенциалов, который и требуется детектировать. Рис. 3. Реализации сигнала разности потенциалов в измерительной ячейке (верхний график), суммарного сигнала (образованного после введения сигнала шума) и тока через бистабильный элемент. По горизонтали отложено время, мс. В ходе дальнейшей работы планируется исследовать детектирование сигнала разности потенциалов с величиной, соответствующей требуемому порядку чувствительности схемы (10-9 - 10-12 В). Библиографический список 1. Pourmand, N., Karhanek M., et al. Direct electrical detection of DNA synthesis // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2006. V.103(17). P. 6466-6470. 2. Rothberg J.M., Hinz W., Rearick T.M., Schultz J., Mileski W. et al. An integrated semiconductor device enabling non-optical genome sequencing //Nature. 2011. V. 475. № 7356. Р. 348-352. 3. Анищенко, В.С., Нейман А.Б., Мосс Ф., Шиманский-Гайер Л. Стохастический резонанс как индуцированный шумом эффект увеличения степени порядка // Успехи физических наук . 1999. – T. 169, N 1 . – 7-38 4. http://www.linear.com. Design Tools. Обращение к ресурсу 20.03.2014. Сведения об авторах Гуторов Михаил Александрович – генеральный директор ООО "Гамма", г. Москва, дата рождения: 12.01.1965г Григорьев Антон Владимирович – аспирант СГТУ имени Гагарина Ю.А., дата рождения: 23.08.1989г. Мантуров Алексей Олегович - к.ф.-м.н., доцент СГТУ имени Гагарина Ю.А., дата рождения 23.11.1970 г. Вид доклада: устный (/ стендовый)
